激光雷達對于自動駕駛汽車感知技術的應用

　　對自動駕駛汽車日益增長的興趣刺激了激光雷達技術的重大發(fā)展。這些3D激光雷達傳感器因其通過激光脈沖測量距離的準確環(huán)境感知而受到高度重視，因此已成為自主運輸不可或缺的安全組件。因此，移動部門對它們的需求很大，并且對該技術的進一步發(fā)展有很大興趣

　　在這種興趣激增之前，激光雷達已經(jīng)使用了幾年，主要用于研究、制圖和空間分析。然而，早期的設備價格昂貴，通常體積龐大，并且需要經(jīng)常維護。技術進步現(xiàn)在已經(jīng)使它們更強大、維護更少、成本更低、用戶友好，即使對于沒有專業(yè)3D數(shù)據(jù)分析專業(yè)知識的個人也是如此。

　　這種轉(zhuǎn)變使激光雷達吸引了越來越多的行業(yè)，帶來了新的應用領域。舉例說明：

　　基于激光雷達的體積監(jiān)測解決方案生成散裝材料庫存的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在以前使用替代方法難以收集。這些解決方案將實時數(shù)據(jù)自動集成到庫存管理系統(tǒng)中，有助于提高農(nóng)業(yè)、建筑和回收等行業(yè)的流程效率。

　　在安全系統(tǒng)領域，激光雷達傳感器在入侵檢測方面表現(xiàn)出色，提供了無與倫比的可靠性，并顯著降低了誤報率。因此，它們是保護關鍵基礎設施和確保對要求高安全性的物體（如發(fā)電廠和機場）提供最佳保護的理想選擇。

　　激光雷達有助于人群管理，匿名跟蹤人群運動模式。例如，旅游目的地采用激光雷達技術來監(jiān)測游客數(shù)量，并在一個地區(qū)接近超額容量時通過移動應用程序提供實時替代目的地建議，從而緩解擁堵。

　　什么是激光雷達？

　　激光雷達是“光探測和測距”的縮寫，其工作原理是利用激光束進行距離測量。早期的3D激光雷達傳感器，如第一輛自主測試車輛上所見，被稱為旋轉(zhuǎn)激光雷達。這些設備的特點是體積龐大的組件安裝在車頂上，通過機械旋轉(zhuǎn)來獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。這些早期的迭代是昂貴的，并且由于它們的移動部件而需要定期維護。

　　為了緩解這些缺點，Blickfeld等公司采用了固態(tài)激光雷達技術，消除了對機械部件的需求。這一進步帶來了更可靠、更小、更具成本效益的傳感器。

　　在固態(tài)掃描激光雷達中，激光二極管每秒鐘向MEMS反射鏡（微機電系統(tǒng)）發(fā)射數(shù)十萬個激光脈沖，這些反射鏡以各自的頻率振動。這些MEMS反射鏡被精確定位，以錐形偏轉(zhuǎn)激光束，而沒有機械磨損。由于在微型傳感器生產(chǎn)方面的成熟發(fā)展，這些元件可以可靠和廉價地大量生產(chǎn)。

　　發(fā)射的光脈沖在它們的路徑上被物體反彈，并被傳感器再次捕獲。通過測量光傳播距離所需的時間，激光雷達可以計算出傳感器和檢測到的物體之間的精確距離（飛行時間原理）。這個過程能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的高度精確的3D表示（所謂的點云）。

　　本質(zhì)上，該技術的工作原理類似于雷達，雷達使用電磁波測量距離和速度，當它遇到金屬表面時特別可靠，但遇到其他材料時就不那么可靠了。一般來說，雷達提供的細節(jié)比激光雷達少。3D激光雷達可以非常精確地捕捉物體的空間位置和形狀，高度獨立于它們的表面材料。

　　3D成像之路

　　各種激光雷達傳感器的功能取決于它們的視野，從而決定了它們可以收集的信息量：

　　1D激光雷達：涉及使用一個單一的激光脈沖指向一個方向，允許在特定點的距離測量。這項技術適用于收費亭之類的應用，但它無法洞察物體的類型、大小或形狀。

　　2D激光雷達：利用水平旋轉(zhuǎn)的激光脈沖來測量距離和運動方向，通過分析反射點和距離來提供關于物體形狀的附加信息。2D激光雷達傳感器廣泛應用于工業(yè)自動化和機器人領域。然而，物體只能在傳感器平面的高度被探測到，排除了精確的尺寸評估。例如，當在警報系統(tǒng)中使用膝蓋高的物體時，相對較小的動物會觸發(fā)警報，導致頻繁的錯誤警報。升高觀察平面可能會讓人類通過爬行或蹲伏來躲避探測。

　　3D激光雷達：通過水平和垂直旋轉(zhuǎn)激光脈沖，創(chuàng)建了一個錐形視野，使激光雷達傳感器能夠捕捉三維空間數(shù)據(jù)。這第三維度對于獲得周圍環(huán)境的精確空間表示、在許多應用領域貢獻有價值的數(shù)據(jù)以及打開全新的可能性是至關重要的。為了保持在報警系統(tǒng)的范圍內(nèi)，3D激光雷達確保檢測到對安全區(qū)域的每一次入侵，并確定入侵對象的大小。在軟件中，可以根據(jù)對象大小設置觸發(fā)警報的閾值，從而顯著減少錯誤警報和未經(jīng)授權的入侵。

在安全應用中，激光雷達用戶可以定義區(qū)域，在這些區(qū)域中，任何入侵都可以被可靠地檢測到，并且誤報率非常低。（圖片：Blickfeld）

　　圖像識別與激光雷達

　　3D激光雷達傳感器提供直接的距離信息，而相機主要捕捉光線和顏色細節(jié)，但不測量空間信息。這些直接測量的距離值提供了顯著的優(yōu)勢。盡管現(xiàn)代人工智能支持的軟件可以從相機數(shù)據(jù)中獲取3D信息，但3D激光雷達可以直接、更快、更精確地提供空間信息。這對于依靠精確距離測量來安全導航和避免碰撞的自動駕駛汽車和無人機來說尤其有益。

　　下一層：智能激光雷達

智能激光雷達Qb2以絕對值的形式提供結(jié)果，但也可以根據(jù)請求輸出點云。（圖片：Blickfeld）

　　智能激光雷達傳感器需要先進的光學和電子硬件組件，以及用于分析收集數(shù)據(jù)的功能強大的軟件。在大多數(shù)情況下，來自傳感器的3D數(shù)據(jù)被傳輸?shù)酵獠坑嬎銠C，在那里感知軟件被用于分析。

　　然而，Blickfeld通過開發(fā)Qb2簡化了這一過程，Qb2是一種集成了所有必要數(shù)據(jù)分析軟件的激光雷達傳感器。基本上，傳感器的“眼睛”和“大腦”現(xiàn)在都在一個設備中，便于立即訪問可用數(shù)據(jù)，而不需要額外的計算機硬件或網(wǎng)絡附件。這使得更廣泛的受眾可以訪問3D數(shù)據(jù)，甚至是那些沒有專業(yè)3D數(shù)據(jù)分析技能的受眾。

　　由此產(chǎn)生的信息可以使用MQTT和API等標準通信協(xié)議直接無縫傳輸?shù)?a target="_blank">物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)或云。這允許全球員工實時訪問結(jié)果，在平板電腦或智能手機上的標準網(wǎng)絡瀏覽器中輕松查看。此外，由于只需要傳輸少量數(shù)據(jù)，因此通過Wi-Fi傳輸是可行的，進一步減少了電纜需求。這在具有多個傳感器的系統(tǒng)中尤其有利，例如那些通常用于監(jiān)控大量散裝材料庫存的系統(tǒng)，顯著簡化了安裝和操作。

　　激光雷達可以幫助傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化

　　采用3D激光雷達技術的企業(yè)能夠立即認識到其優(yōu)勢，由于精確的實時信息，這可以導致數(shù)字化和更有效的流程。因此，3D激光雷達有可能顯著提高各行業(yè)供應鏈的數(shù)字化水平，并在解決以前成本高昂、勞動密集型或可能無法實現(xiàn)的特定任務方面發(fā)揮關鍵作用。將軟件集成到設備中使幾乎任何人都能從3D數(shù)據(jù)中受益，即使沒有專業(yè)知識。

　　審核編輯：黃飛